基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电容式微机械单支点摆式传感器，具体涉及一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计。
【背景技术】
[0002]作为MEMS技术的一个重要应用领域，硅微机械加速度计以其低成本、小体积、低功耗、抗冲击、可靠性高等优点，已广泛应用于惯性测量的各个领域。而电容式硅微机械加速度计又以其制作工艺简单、重复性好、温度系数低等优良特性而受到广泛关注，成为目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。
[0003]硅微机械电容式加速度计的制作方法有表面微机械加工法和体硅微机械加工法两大类。前者与集成电路工艺兼容，可实现较高的集成度和较低的成本，但也因较薄的器件层厚度而存在稳定性差、噪声大等缺点。采用体硅加工工艺的微加速度计以力学性能优异的单晶硅作为敏感单元，质量块较厚，具有灵敏度高、噪声小、性能稳定等优点，因而高性能硅微加速度计通常采用体硅工艺制作。
[0004]体硅工艺主要分为硅-玻璃键合工艺和硅-硅键合工艺两种。显而易见，对于高性能的传感器，比如性能指标要求达到战术级和导航级的加速度计，硅-硅键合工艺由于更佳的材料之间热膨胀系数的匹配，从而更适合用于高性能传感器的制作。到目前为止，大多数硅-硅键合采用的是共熔键合，共熔材料可以是微晶玻璃浆料或可熔性合金材料，有时还需一层二氧化硅绝缘层作为隔离层。然而这些键合共熔材料和隔离材料多少会带来一些不匹配热应力问题，从而影响器件性能。
[0005]众所周知，MEMS传感器芯片的封装应力对传感器的性能有着显著影响，封装应力源于封装材料与硅芯片的热膨胀系数的不匹配。MEMS传感器硅芯片通常是采用各种不同的粘接材料粘贴于衬底或管壳之上，然后经过一定的温度烧结使之固化，该过程中因材料的热不匹配而引入热应力是不可避免的，而这种热应力在传感器敏感区域产生的任何形变都会影响电容式传感器的精度和全温漂移性能。对于高性能MEMS传感器而言，降低这种由于封装应力而影响传感器性能指标的要求是严格的，这使得封装应力的隔离设计显得尤为重要。必须采取措施来减小敏感元件区的热应力。
[0006]目前减小热应力的方法大致有以下几类:
(I)选用低热失配的衬底材料，即选取与硅的热膨胀系数接近的材料，如柯伐合金(K0VAR)、氮化铝陶瓷等，但采用这种方法的成本较高。
[0007](2)选用低应力的柔性粘接材料如软性硅胶等；使用柔性粘接剂有粘接强度弱的缺点，而且柔性粘接剂不适合有剪切应力的应用场合。
[0008](3 )增加芯片的厚度，使得芯片的敏感层远离衬底粘接面。通常该种方法会在敏感层和粘接面间加一层支撑层，采用高深宽比的支撑层可有效的降低封装应力对传感器的影响，缺点在于，当支撑层不是硅材料时，如使用Pyrex，由于阳极键合温度较高，会不可避免的引入残余热应力。
[0009](4)基于梁结构释放应力。如图1所示将芯片置于由几根梁形成的悬置平台。除了应力释放，还能改善抗振动性能，但这种隔离结构增大了传感器的尺寸，增加了工艺的复杂性。
[0010](5)把芯片的敏感层设计成悬臂梁结构或者在粘片时仅把芯片的一端固定起来，如图2所示。不足之处在于热应力从悬臂梁的固定端到悬空端从大到小成梯度分布，不太适合于单支点摆式结构的应力隔离。
【发明内容】
[0011]针对上述技术问题，本发明目的是:提供一种能有效减少热应力、性能较好的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计。
[0012]本发明的技术方案是:一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，包括芯片层、硅衬底隔离层和管壳，所述硅衬底隔离层和管壳之间通过粘接剂连接，其特征在于，所述芯片层包括设置在加速度计敏感结构的中心的中心支点，所述硅衬底隔离层表面刻蚀出一用于与芯片层硅硅键合的凸块，所述凸块与中心支点中部对齐。
[0013]优选的，所述凸块周围刻蚀有深槽。
[0014]优选的，所述凸块为方形或者圆形。
[0015]优选的，所述凸块的键合面积占芯片面积的5%_10%，典型值为10%。
[0016]优选的，所述深槽的刻蚀深度为50_100um。
[0017]优选的，所述凸块高于其它非键合区为l-5um。
[0018]优选的，所述硅衬底隔离层表面的非键合区还均匀刻蚀有高度低于凸块的凸点。
[0019]优选的，所述凸点的高度比键合区凸块低l-3um。
[0020]与现有技术相比，本发明的优点是:
1、该种结构的微机械摆式加速度计硅硅键合的键合区域放置于芯片的中间，即与摆式加速度计的中心转动轴对齐，通过减小芯片的键合面积和深沟槽刻蚀来对因材料热膨胀系数不匹配而产生的热应力进行释放与隔离，从而使传递至结构敏感区域的热应力达到一个很小的量级，此种结构可避免过多的考虑材料的选取(如与硅热膨胀系数相近的封装衬底和低应力的粘结剂)。
[0021 ] 2、对中心单支点摆式加速度计而言，该种中心凸块对齐连接隔离结构具有较好的应力分布对称性。可以有效地减小热应力对传感器差分输出特性的影响。
[0022]3、该种结构不仅大大地减小了热应力，其纵向隔离的方式有效地减小了器件的尺寸，成本低，工艺也不复杂；且全温漂移性能提高5-10倍左右，对于高温高精度MEMS传感器而言，效果更加突出，因此具备广泛的应用场合。
【附图说明】
[0023]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1是现有基于梁结构隔离封装应力的MEMS传感器芯片的结构示意图；
图2是现有基于横向悬梁结构(芯片一端固定)进行应力释放的MEMS传感器芯片的结构示意图；
图3是本发明基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计的剖视图； 图4是本发明基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计的基座层的俯视图；
图5是本发明在键合面积占芯片面积10%的情况下，隔离结构所具有的一阶模态特性图。
【具体实施